集腋可否成裘？——浅谈IDC余热利用

如果把数据中心视作一套规模巨大的能源转换的设备，它在能量转化的过程中会释放出大量的余热。逾98%的电力损耗变成了低质量的热能，那么这些余热是否可以再利用，又如何利用呢？

1 余热利用方式

基于热力学第一定律与热力学第二定律，余热能量利用可以分为三种——

直接利用：直接将热量使用，不借助于其他外部热源或能量，该种方法热能利用效率较高，但适应面较窄；

能质提升：通过外部能量使热能的品质提升，高品位的热源应用面较为广泛；

形式转换：通过外部能量将热能转化为其他形式的能量，如机械能、势能、电能等，应用范围更加广泛，但热能利用效率较低。

数据中心的余热资源具有分散性强、品位较低的特点，因此直接采用热量利用的方式不太可取，经过仔细的分析思考及查阅相关资料，结合腾讯某数据中心机房内的实测数据，我们提出以下几种适用于数据中心的余热回收可行性方案，仅供参考。

2 中高温热泵余热回收

中高温热泵的热力学过程为逆卡诺循环。其工作原理与家用空调机组相同，它由蒸发器、冷凝器、压缩机、节流装置四大部件组成。低温液态有机工质在蒸发器中吸收外部热源的热量而发生气化；在压缩机中经过压缩后变为高温高压的工质蒸汽；然后工质进入到冷凝器中与用热端进行换热，释放热量、工质温度降低并变为液态；随后进入节流装置降温降压变为低温液态工质，回入到蒸发器中继续循环，整个循环过程如图1所示。

图1 热泵循环原理图与T-s图

工质进行逆卡诺循环的过程中，能效指标（COP=用热量/耗电量）与蒸发温度、冷凝温度及工质的种类有关。可以采用的工质有R245fa、R22等，当工质不变时，蒸发温度越高（余热源），冷凝温度越低（用热源），能效指标越高。例如：蒸发温度为50℃，冷凝温度为80℃，压缩机的功率为1kW，能效指标为4，表明压缩机耗电1 kW，将3 kW的余热量转化为4 kW的用热量。通过简单的计算，可以看出热泵技术的节能效果明显。目前地源热泵技术已经广泛应用于城镇采暖和生活热水。

在这个系统中，蒸发器就是一种热量回收的装置。回收数据中心的余热量有两种方式，一种是在冷却水回水管或冷冻水回水管上安装换热器，可以采用传统的管壳式换热器或板式换热器，让冷却水或冷冻水回水与热泵机组的有机工质发生换热，提升工质温度的同时，也降低了回水的温度，对制冷系统也起到了节能优化的作用。如图2所示为冷却水取热，这种方法较容易实现，对原系统的运行影响较小，冷却水温度越高则运行能效比就越高，但现状是夏季冷却水温度高但用热量小，冬季冷却水温度低却用热量大，较低温度的冷却水使得余热源品位不高，用热源若温度要求较高则达不到较高的COP，对于用热源需求不高的，如需要45-55℃的热水，该种方法可以起到较好的效果，例如用于洗浴、低温地板辐射采暖等等。如图3所示为冷冻水取热，冬季冷冻水回水温度将高于冷却水回水，因此热泵会有较高的COP，同等的能耗下冷冻水取热可比冷却水取热在冬天生产更高温度的热水，但这种形式对系统的安全性要求较高，实施起来稍复杂，因此采用冷冻水取热，冷冻水取热各有优势及不足，需根据实际情况进行衡量。

图2 冷却水取热热泵循环流程图

图3 冷冻水取热热泵循环流程图

另一种方式是直接在机房余热点进行换热，在对数据中心服务器热通道温度进行城乡测量的过程中，我们发现，服务器出风口表面的温度一般在60-70℃，局部热点可能达到了80℃,如图3所示。较高的温度一方面可能会影响服务器的运行并降低了使用寿命，另一方面热量品位较高，直接通过回风散失掉未免有些浪费。根据目前的换热技术，可以采用蛇形毛细管贴附在服务器机柜的内表面，布置在靠近热通道的一侧。基于有机工质低沸点蒸发的热物理性质，使工质吸收服务器的热量发生相变换热，如图4所示。工质在发生相变换热时，其换热能力是同温度下水的数倍，空气的数十倍。例如，当温度由60℃升高为70℃，水的换热量为41.89kJ/kg，空气的换热量为5.7 kJ/kg，有机工质（以R245fa为例）的换热量为174.71 kJ/kg，因此采用有机工质具有较高的换热效率。毛细管可通过分集液起连接在一起，布置在MDC微模块的两端，每组微模块设置一台热泵机组，热源在冷凝器中发生换热后产生的高温热水通过管道流出微模块供生产生活用热。这种直接换热方式目前来说可行性并不是很高，但热能利用效率很高，未来可能会有重大的突破。

图4 数据中心服务器出风口表面温度热成像图

图5 机柜取热热泵循环流程图

取出来的余热经过升温以后该怎么用呢？目前我国北方大多还是采用烧煤的方式供暖，一到冬天一个个的烟囱不停地冒着烟，非常污染环境。而数据中心是24小时工作的，24小时都在源源不断的产生热量，如果有条件的地区，收集数据中心的余热进行供暖，不仅数据中心可以节省能耗，城市也可减少煤的燃烧量，对环境治理有非常积极的作用。借助于中高温热泵技术，数据中心的余热可以用于管线伴热、办公区供暖和生活热水、附近小区供暖和生活热水、泳池加热等等。

以R18微模块为例，服务器满载情况下，服务器最大功率为120 kW，若通过热泵机组回收的热量为48 kW，压缩机耗功率为12 kW，热泵制热量为60 kW（热水供回水温度为75/60）。以腾讯某数据中心DC3机房为例，一个大IT 机房包含12个MDC，共有12个大IT机房，故总产热量为8640kW。以当地采暖设计热负荷指标44.36 W/m2计算，总结可以承担供暖面积能够达到19.48万m2，因此采用这种方式供暖在理论上是可行的。在环境方面，我们粗略的计算一下，当总制热量为8640 kW时， 节能减排量如表1所示。

表1 热泵供暖节能减排量

此外，通过余热回收，采用水冷作为冷源的数据中心，冷却塔、冷却水泵等设备将作为备份冷源使用，这样在采暖季可节省冷却塔耗水量、冷却塔耗电量、冷却水泵耗电量及设备运行维护费用，粗略估计，节省的水电及维护费用可达到热泵运行费用的50%。

3 低温发电余热回收

低温发电技术的热力学过程为朗肯循环，循环过程与热电厂水蒸气发电相类似，不同之处在于将水蒸气变为有机工质，把汽轮机变为螺杆膨胀机或涡旋膨胀机，又可称之为有机朗肯循环。它由蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵四大部件组成，如图5所示，有机工质在蒸发器中吸收余热源的热量，由液态转化为高温高压的气态；随后进入膨胀机中推动膨胀机旋转，将热能转化为机械能，膨胀机与同步发电机相连，带动发电机发电；工质通过膨胀机后变为低温低压的气态工质，随后进如冷凝器中冷凝，变为液态工质；液态工质通过工质泵打入蒸发器中继续参与循环。

整个低温发电理想循环过程可以将蒸发与冷凝过程看作为等压过程，膨胀与升压过程看作为等熵过程，四个主要过程具体如下：a-b表示工质蒸气推动膨胀机的做功过程；b-c表示工质蒸气在冷凝器中的冷凝过程；c-c'表示工质加压泵的等熵升压过程；c'-d-e-a表示蒸发器与低温热源热交换时的吸热过程；图中，a-b-c-c'-d-e-a的面积表示系统产生膨胀功的大小，系统中膨胀机与发电机通过传动作用，将机械功传递，进而转化为电能。

图6 低温有机朗肯循环发电流程图与T-s图

低温发电技术利用了有机工质低沸点蒸发的热物理性质，余热源的温度达到60℃即可推动膨胀机转动完成热-功-电之间的转换。目前较大装机容量的低温余热发电机组的热电转化效率可以达到10%，小容量的可以达到5%左右。对于数据中心的机房来说，可以考虑在每一个MDC模块内设置一台小型余热发电机组。如图6所示，以单个机柜为例，机组的具体形式如下：蒸发器与上文所述中高温热泵直接取热的形式相类似，利用蛇形盘管接触服务器换热，不同之处在于盘管设置为进口管径细且出口管径粗的形式，便于工质蒸汽膨胀；经膨胀机旋转带动发电机发电以后可通过整流逆变模块将电能输送到蓄电池中存储，也可以直接利用产生的电能，即用于MDC内管控、照明等用电。在冷凝器侧，有机工质需要外部冷源冷却才能变为液态继续循环，可以利用空调盘管的冷冻水回水对有机工质进行冷却。

图7 机柜取热低温余热发电流程图

同样，以R18微模块为例，若单个MDC蒸发器的吸热量为48 kW，一个大IT机房12个MDC总吸热量为576 kW，由于余热源温度不高，蒸发压力若按60℃计算，发电效率按4.0%计算，总发电功率为23.04 kW，一天内的总发电量约为553 kW･h，可以满足IT机房内管控和照明的用电量。

低温余热发电系统虽然能够产生电能，但也会消耗一些电能。系统中唯一的耗电点为工质泵，目前工质泵还没有小型化，大型化的余热发电机组中工质泵的耗电比例约占总发电量的10%左右。虽然这种发电形式出投资会很高，但是它将余热转化为了电能，对于能量利用来说有着重要的意义。目前低温余热发电技术已经应用于石化行业、钢铁冶金行业、水泥行业的余热回收中，为企业制造经济效益的同时也为节能减排作出了贡献。此技术经过改进应用于数据中心的余热回收中也是十分有发展前景的。

4 吸收式制冷余热回收

吸收式制冷技术是利用溴化锂水溶液具有在常温下强烈的吸收水蒸气，在高温下又能将所吸收的水分释放出来的特征，以及水在真空状态下蒸发时，具有较低的正发温度和吸热效应来实现制冷的。吸收式制冷装置由发生器、冷凝器、节流阀、蒸发器和吸收器等设备组成，组成了两个循环，即制冷剂循环和吸收剂循环。如图7所示，发生器内的溴化锂水溶液由于外部热源加热，溶液中的水气化为水蒸气（水的沸点低于溴化锂很多）；水蒸气进入冷凝器中备冷却水冷却，凝结为冷剂水；冷剂水净节流阀降压后进入蒸发器；蒸发器中低压制冷剂水与冷媒水发生换热气化，产生制冷效应；低温冷剂水蒸气进入吸收器中被溴化锂溶液吸收变为稀溶液，由溶液泵送到发生器中继续参与循环。

图8 吸收式制冷原理图

溴化锂吸收式制冷技术除了溶液泵耗少量电以外，均利用的是外部余热源，此外还需要冷却水完成溴化锂水溶液的循环。溴化锂吸收式制冷装置以水作为制冷剂，以溴化锂作为吸收剂对于环境无破坏作用；装置结构简单，制造方便，在真空状态下运行，无危险；外部热源需要75℃以上的热水，对于数据中心的余热来说，目前还不能满足，但理论上存在着将吸收式制冷应用于数据中心余热回收的可能性，所以此方案不失为一个合理的猜想。

总结

目前绝大部分数据中心产生的大量的热能并没有被充分利用，而是白白的浪费掉，甚至，我们为了“处理”掉这些热能，付出更多的能源，这既不经济也不环保。在这个追求极致能效的时代，如何行之有效地将数据中心产生的大量余热进行规模化的再利用，产生经济价值和环保价值，相信很快就有答案。